动力电池低温特性对电动汽车性能影响分析

张松林，符兴锋，曾 雷

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

0 引言

发展新能源汽车已上升为国家战略，电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分，迎来了爆发式增长。据统计，2018年新能源锂电池装车122 万台，5 867 万kW·h，同比2017 年增长84%。锂电池的特性受环境温度的影响较大，尤其在低温环境中，可用能量和功率衰减严重，且长期低温环境使用会加速动力电池的老化，缩短使用寿命[1]。随着电动汽车市场保有量的增加以及使用范围的扩大，电动汽车环境适应性面临日益严峻的挑战，同时也成为用户使用过程中的一大“痛点”。电动汽车的环境适应性作为一项关键指标，已成为行业内的重要攻关课题。美国宾夕法尼亚州立大学研发出一款“全气候电池”，这种新型电池基于第三极镍箔自加热，能提升车辆低温性能；北京理工大学孙逢春[2]主导开展的全气候电池技术研发及搭载整车集成开发，解决了极寒环境下电动汽车无法充放电、整车无法启动、空调能耗高等技术难题。

本文通过分析锂电池的温度特性，结合车辆实际使用工况/场景，对目前电动汽车应用的热管理技术进行综述，旨在为改善电动汽车的低温适应性及电动汽车热管理系统开发提供一定的帮助。

1 动力电池低温特性

电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有关。电极的反应率随着温度的下降而下降，同时电池放电电流和功率输出也会随之下降。低温对电池特性影响主要表现在以下几方面。

1.1 对电池放电容量的影响

国标GB/T 31484《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》中规定电池的容量是在(25±5)℃下进行测试。在不同的环境温度下，实测的电池容量与25 ℃时的容量有所差异，在一定温度范围内，温度越低，电池的放电容量越小，反之越大。选取磷酸铁锂单体电池进行测试，在0 ℃时的容量保持率为60%～70%，-20 ℃时的容量保持率为20%～40%，如图1所示。

图1 磷酸铁锂电池不同温度下放电曲线

1.2 对电池内阻的影响

在0～30 ℃环境温度下放电，电池温度升高，电池的内阻随之降低。随着电池温度的降低，电池的内阻逐渐增大且与温度呈线性变化。当环境温度降至0 ℃以下，温度每降低10 ℃，内阻增大15%左右。因为电解液黏度变大，降低了电解液中离子活性，增大了电解液比电阻，加重了电极极化影响，电池容量会明显减小。

1.3 对充电速率的影响

在低温下充电，扩散电流密度明显减小，而交换电流密度减小不多，所以浓差极化加剧。低温充电开始时，电池总电压上升较快，很快达到充电截止电压，进入恒压充电，长时间的恒压阶段充电导致动力电池充电时间增加，充电速率明显下降。

2 动力电池低温特性对整车性能的影响

2.1 整车动力性能的变化

通过试验发现，在低温环境下，整车动力性能明显下降。某车型电池不同温度下0～100 km/h 加速性能对比如表1所示。

表1 某车型电池不同温度下动力性测试结果

从表中可以看出，电池SOC 差不多的情况下，电池温度较低时，电池峰值放电功率随电池温度下降明显，直接影响到车辆的加速性能；在0 ℃左右，加速时间增加50%左右。

2.2 整车经济性的变化

三元锂电池在-10 ℃和-20 ℃环境下，放电容量分别为标称容量的86%和76%[3]。由于放电容量的下降，整车续驶里程会随之下降。同时，在低温环境下，驾驶员会使用空调制热及除霜除雾功能，制热功率一般在2～3 kW，这部分能量消耗也降低了整车的续航里程。试验数据表明，车辆在开启空调的情况下，整车的能耗增加约20%，加上低温电池容量下降、滚阻及车辆内阻增加，在-7 ℃环境下，电动汽车续航里程下降率在30%以上，实测4款车型常温与低温续航结果如表2所示。

表2 NEDC工况续驶里程测试结果

2.3 整车充电时间的变化

电池低温下只能进行小倍率充电，这样充电时间会大大延长，在低温环模舱测试4 款纯电动汽车低温情况下充电时间增长率。如图2 所示，充电时间增长50%～100%。充

图2 低温充电时间增长率(-10 ℃)

电时间增加会影响消费者的使用，特别是网约车、出租车等营运车辆，营运时充电时间占比将直接影响到用户经营状态及经济收益。滴滴优享型快车司机在非工作日大于20 km的服务里程中，司机的日平均利润为38.74 元/h[4]。按照每天充电时间增加1.5 h计算，损失收益约58元/天。

3 提升电动汽车低温适应性

提升电动汽车的低温适应性，可以从3个方面进行优化。

（1）从电池电芯进行优化，包括电解液离子电导率、负极石墨颗粒表面SEI模的电导率、电极电化学反应速率等方面。

（2）从整车架构及控制策略出发，优化热管理架构及控制策略，使动力电池在不同环境温度下均能保持在“舒适区”，满足整车的功率和能量需求，从而使整车达到最佳性能状态。

（3）提升系统效率，降低附件能耗，下文针对（2）、（3）点进行详细研究分析。

3.1 热管理技术应用

动力电池热管理系统开发是目前整车研发中的重要课题，针对低温性能，对动力电池进行加热是主要应用手段。该方法技术难度小、成本增加少，结构原理相对简单，所以得到很多厂家的青睐。

目前实现电池加热的主要方式有以下几种。

（1）通过加热冷却液在电池内部循环。冷却液热量可以通过电加热器或是发动机（HEV 车型）等热源获取，将热水通过水道引入动力电池各单节电池外表面实现热交换，通过调节冷却液入水温度、流量，获取最快的加热速率，需要注意平衡好动力电池温差范围，将电池温度维持在最佳区域。该方式的优点是可以保证每个单体之间的温差较小、控制方式简单；缺点是结构复杂、体积较大、存在漏液风险。

（2）通过在动力电池单体、模组之间布置电加热丝对电池进行加热，该方式加热速度快、能量利用效率较高、结构简单，但其可靠性有待检验。

（3）电池内部加热。利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池，导体为动力电池本身[1]。由于动力电池低温下内阻加大，通过加热控制器PWM信号调节动力电池母线电流频率和幅值，电流通过动力电池内阻产生热量使动力电池产生温升。该方式的主要优点是结构简单、体积小、加热速度快；缺点是程序控制较复杂、相关工作零部件温升较高，电磁辐射、电磁噪声等问题都有待验证解决。

（4）在动力电池周围布置风道，将热风引入动力电池内部实现温升。优点是结构相对简单，既可以实现电池加热，又可以利用风道实现冷却；缺点是加热速度慢、单体电池间温差较大，EV 车型由于电池包体积大，空间紧凑布置难度大，所以该技术主要应用于HEV车型。

3.2 提升系统效率，降低附件能耗

燃油车乘员舱采暖是通过发动机余热满足乘员舱的采暖及除霜/除雾需求，电动汽车车电动力总成工作时，冷却液温升慢、最高温度低，无法满足乘员舱的采暖及除霜除雾需求，所以在电动汽车设计了一套独立的空调采暖系统。低温环境下，空调能耗约占整车能耗比20%左右甚至更高。降低空调能耗对提升电池包能量利用率，降低车辆运行成本如费用、时间等有较大帮助。

（1）PTC 电加热系统。通过使用动力电池电量来加热PTC，加热介质分为液体（如乙二醇型冷却液）和空气两种。该系统优点是结构简单、可靠性高；缺点是热效率低、能耗较高。

（2）热泵空调系统。制热时，压缩机压缩制冷剂，高温高压制冷剂经过四通换向阀到达空调暖风芯体时与乘员舱空气进行换热，满足车内采暖需求，然后流经双向膨胀阀到达车外散热器，换热后经过四通阀回到压缩机。该系统的显著优点是能效高。例如，当室外环境温度-10 ℃，车内采暖温度25 ℃时，热泵系统最高极限效率可达8.5，远高于PTC制热效率1。日本电装公司为电动汽车开发的全封闭电动旋涡压缩机热泵系统在此工况下热效率可达2.3[5]，对纯电动汽车续航里程贡献率约在10%左右。该系统的缺点是在更低环境温度下，节能效果不明显。

4 结束语

随着电动汽车的推广普及，车辆将承受各种恶劣环境、复杂工况的考验，通过热水/热风、电热丝、电池内部加热等手段来提高动力电池的温度，使其维持在正常温度，发挥优良的充放电特性；同时提升系统效率，降低附件能耗，能够达到改善整车低温适应性的目的。不同设计方案在整车上面的应用需要考虑空间结构、成本效益、电器架构等多方面因素，在电动汽车开发中，需要经过多轮测试、改进、验证，使产品达到量产指标，实现提高整车低温适应性的目的。